電動車用電池快速充電的試驗與研究

1、電動車用電池快速充電的試驗與研究麻友良(武漢科技大學，湖北武漢430070) 陳全世(清華大學，北京 100084）摘要：根據(jù)電池快速充電的原理，對多種類型的電池進行了大量的充電試驗，通過對充電試驗的結(jié)果分析，提出了適用于不同電池的分段恒流快速充電和定壓補充充電的充電方案，并在分析比較各種控制參量的基礎(chǔ)上給出了實現(xiàn)這種充電過程的控制方法。通過對大量試驗過程和結(jié)果的分析和比較，指出了避免電池充電效率下降和充電時電池異常升溫并導致?lián)p壞應注意的問題。關(guān)鍵詞：快速充電；分段恒流；限定電壓電動汽車用電池快速充電的研究，是電動汽車研究與開發(fā)必須面臨的一項工作，我們對鉛酸電池、硅鹽膠體電池等準備應用于電動汽

2、車的動力電池進行了充放電特性及充電方法等一系列的試驗與研究，以求電動車用電池理想的快速充電方法。一、電池快速充電的理論基礎(chǔ) 電池充電時若能以大電流充電，就可以在較短時間內(nèi)充入較多的電量，縮短充電時間。但是，電池可接受充電電流是有限度的。鉛酸電池的充電可接受電流是指其電解液只產(chǎn)生微量析氣的前提下所能夠接受的最大充電電流1,2。1967年美國學者麥斯(J.A.Mas)經(jīng)過大量試驗提出了電池充電可接受電流定律：I=I0.e-at式中：I電池可接受的充電電流；I0開始充電(t=0)時電池可接受的最大充電電流；a充電可接受電流衰減常數(shù)，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)。電池在充電過程中其充電可接受電流按圖1所示的

3、規(guī)律下降。當充電電流在可接受電流曲線以下時不產(chǎn)生析氣，充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W能量；當充電電流大于充電可接受電流時，則會導致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產(chǎn)生析氣反應。電流越大，這種電解水反應就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫升加速。這不僅使電池的充電效率下降，還會對電池造成損害，影響電池的使用壽命。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的資料和我們大量的試驗表明，不僅是鉛酸電池有按指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性，硅鹽膠體電池及其他動力電池也有相類似的充電可接受電流曲線。充電過程中，如果能使實際的充電電流始終靠近可接受充電電流曲線，就可使充電所需的時間縮短。不產(chǎn)生析氣區(qū)產(chǎn)生微量析氣曲線產(chǎn)生析氣

4、區(qū)充電時間 充電電流圖1電池充電可接受電流曲線二、電池快速充電的試驗I1I2I3I4I5t1t2t3t4t5充電時間 充電可接受電流曲線圖2 理想的充電電流曲線充電電流理想的充電電流曲線最理想的快速充電控制是充電電流如同可接受充電電流曲線，但實際充電控制難于實現(xiàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)的較為理想的快速充電控制是采用分段恒流充電，如圖2所示。分段恒流充電需要解決的問題是確定適當?shù)暮懔鞒潆姺侄螖?shù)和各階段充電電流大小及終止時間。如果各段充電電流過小或終止時間過早，實際充電電流曲線離充電可接受電流曲線較遠，使充電時間較長；如果各段電流過大或終止充電時間過遲，則會使充電電流超過充電可接受電流而導致電池溫升加劇、充電效

5、率和電池壽命下降。對液態(tài)電解液電池，在快速充電試驗中的各階段恒流充電終止可根據(jù)電池電解液的析氣、電壓和電池的溫度等來綜合判斷，硅鹽膠體電池不可能觀察析氣情況，只能根據(jù)電池的溫度和電壓來進行判斷，要準確地判斷充電是否達到了充電可接受電流難度相對較大。我們設定了不同的恒流充電分段數(shù)和恒流值進行多次的充電試驗，并對試驗結(jié)果進行分析比較，從充電的時間、充電的效率及電池的溫升等參數(shù)的綜合分析比較，從中選定最接近充電可接受電流曲線的分段數(shù)，恒流充電的初值及下降梯度等。三、電池快速充電方案的選擇根據(jù)大量的試驗結(jié)果分析，我們選定了5段恒流充電加定壓充電的充電方案，（表1所示的為硅鹽膠體電池試驗數(shù)據(jù)）。各段之間

6、設有1min的停歇時間，電池3h率完全放電后的充電電壓和電流曲線如圖3所示。表1 充電各階段的時間和充入的電量（3h率完全放電） 定流充電階段定壓充電階段12345充電電流/A1C30.75C30.5 C30.25 C30.125 C3充電電壓：15.3V停充電壓/V14.414.715.015.315.5充電時間/min2519182662300QI/ QO0.420.660.810.921.051.29表中：QI電池各階段累計充電量；QO電池充電前所放出的電量.充電電流I/A (×C3)00.20.40.60.81.01.2020406080100120140圖3 分段恒流充電曲

7、線 充電時間 t/min 在充電的初期，以較大的恒電流充電，使電池的容量得到快速的恢復，以滿足應急快速充電的需要。恒流充電階段結(jié)束時，電池充電的電量達到電池放出電量的90120%。定壓充電是對電池進行小電流充電，以使電池達到完全充電狀態(tài)。四、電池快速充電過程的控制方法4.1分段恒流充電控制方法 充電設備實現(xiàn)分段恒流充電過程控制須設定控制參數(shù)，當某一階段恒流充電達到設定的控制參數(shù)時，充電機自動停止充電，停歇1min后再以下一個恒流值充電?？刂茀?shù)可以是時間、電壓和溫度3。時間參數(shù)控制：設定以該恒流充電至可接受電流值的時間，當充電時間達到設定值時，通過定時器使充電機停止充電，結(jié)束該階段的恒流充電。

8、定時控制比較容易實現(xiàn)，但是，當電池在恒流充電開始時其荷電狀態(tài)不同或電池因容量衰減而其充電可接受電流減小時，恒流充電時間應隨之調(diào)整，電池狀態(tài)的不確定性使時間參數(shù)的確定變得很難，因此，以定時控制不適應分段恒流控制。溫度參數(shù)控制：設定恒流充電達到可接受電流時的電池溫度上升值，當電池的溫升（或電池與環(huán)境的溫差）達到設定值時，控制器使充電機自動停止充電。理論上，開始充電時電池荷電狀態(tài)不一樣的情況下，溫度控制均可適應各階段恒流充電結(jié)束時的自動停止充電控制。但是，溫度傳感器的準確性和滯后性容易造成電池過充電。因此，溫度參數(shù)作為唯一的控制參數(shù)也是不宜的。電壓參數(shù)控制：設定以該恒流充電達到或接近充電可接受電流值

9、的電壓，當電壓達到設定值時，充電機便自動結(jié)束本段的恒流充電。電壓參數(shù)控制可自適應電池始充電荷電狀態(tài)和電池使用過程中充電可接受電流變化，且控制也比較簡單。電壓參數(shù)控制的問題是，當電池的性能出現(xiàn)異常變化時，原來設定的電壓控制參數(shù)可能會過高而導致電池過充電。綜合分析各個控制參數(shù)的特點，我們選擇電壓作為階段恒流充電終止控制參數(shù)，以溫度作為異常情況的安全控制參數(shù)?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D4所示。圖中：TB為充電時電池的溫度；TO設定的停充溫度；I（n）第n次恒流充電電流；U（n）第n次恒流充電終止電壓。4.2定壓充電階段終止控制方法 此階段充電電流小，但時間較長，此階段結(jié)束, 即為電池達到了完全充電狀態(tài)。為使自

10、動終止充電控制安全、可靠，可采用時間、溫度、電流三個參數(shù)綜合控制的方案：設定一個基本的定壓充電時間，當充電至設定的充電的時間時，認為電池已達到了充足電狀態(tài)，充電機便自動終止充電。未到設定的充電時間，但電池溫升達到設定的限值時，充電機自動終止充電。未到設定的充電時間，但充電電流已穩(wěn)定在一個較小的值，且2h不變時，認為電池已充足，充電結(jié)束。未達到設定的充電時間，電流從所降至的最小值又上升I達到了所設的限定值時，充電結(jié)束，以確保電池的充電安全。 n=1 I=I（n）TBT0U=U(n) n= n+1 停充（1min） n=5NoNoYesNoYesYes 轉(zhuǎn)定壓充電圖4 分段恒流充電控制流程圖五、電

11、池充電效率低、容量下降及損壞的原因分析在進行充電試驗過程中，發(fā)現(xiàn)一些電池的充電過程其充電效率很低，電池容量衰減快甚至于當場報廢。為確定原因所在，我們進行了一系列的對比試驗，試驗現(xiàn)象歸納如下： 在充電量達到放出的電量之前的各恒流充電階段，電池不發(fā)熱或發(fā)熱量很小，其充電效率較高。 在最后階段其恒流充電電流或終止電壓定得較高時，電池會有較高的溫升，其充電效率也相應較低。 定壓充電階段，根據(jù)有關(guān)單位所提供的電壓參數(shù)定壓充電，則電池溫升較嚴重，充電的效率很低。在定壓充電階段出現(xiàn)充電電流逐漸上升的現(xiàn)象時，電流上升的速率和幅值越大，電池的溫升就嚴重，且電池的容量衰減也越明顯。當充電電流顯著增大時，如果不及時

12、終止充電，還會應電池熱失控4而導致電池當場損壞。分析試驗現(xiàn)象得出電池充電效率低、容量下降甚至損壞的主要原因是：電池在充電的后期因其充電接受能力已很低，當定流充電終止電壓較高或定壓充電定壓過高時，其充電電流超過了充電可接受電流，導致了電池充電效率低、電池容量衰減和損壞。硅鹽膠體電池的散熱比較慢，即使沒有深度的過充電，也很容易使電池充電產(chǎn)生的熱量大于電池的散熱量而造成電池的溫度過高，導致電池損壞。由于電池使用中的容量自然衰減，其可接受充電電流會相應減小，因此，恒流充電段如果出現(xiàn)電池溫度較高時，除了立刻轉(zhuǎn)入下一階段的充電外，還應適當減小下一次充電的終止電壓值。在定壓充電階段，如果出現(xiàn)了電池溫度較高、

13、充電電流增加且增加幅度超過了限值時，除了立刻終止充電外，也應適當減小下一次定壓充電的電壓值。六、結(jié)論電動汽車用電池以分段恒流快速充電、定壓小電流補充充電的方法，使充電時間短、電池溫升小、充電效率較高，充電的控制也容易實現(xiàn)，因此，是理想的充電方法。嚴格控制電池恒流充電的停充電電壓和定壓充電的充電電壓，以防止電池出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，對提高動力電池的充電效率和使用壽命是至關(guān)重要的。參考文獻1 朱松然，張勃然 . 鉛蓄電池技術(shù)M. 北京. 機械工業(yè)出版社，19882 孫逢春等 . 電動汽車M . 北京 . 北京理工大學出版社，19973 張巧芝，王彩申，王旭等. 一種新型的鎘鎳電池快充技術(shù)J. 電池, 1

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15、ract: Based on the principles of rapid charging, many charging tests have been done. After analyzing the results of these charging tests, an applicable approach of rapid charging, which includes five periods of fixed-current rapid charging and one period of fixed-voltage supplemental charging, is given in this paper. Then, on the basis of analyzing and comparing several control parameters, the control method of how to realize this approach is also presented. By thorough analyzing and comparing of the procedures and phenomena of t